1.2.1 국가별 정책

(1) 미국

미국은 에너지부(DOE)를 중심으로 연도별 탄소 감축 목표 세우고 아래와 같이 추진 중이다^{[7, 8]}.

• 2024년 6월 탄소 배출 제로 건물(Zero Emissions Building)에 대한 국가적 정의 1단계 발표

• 2035년까지 건물부문 탄소배출 65% 감축 목표

• 2050년까지 건물부문 탄소배출 90% 감축 목표

이를 기반으로 미국의 대표적인 건물인증제도는 Table 1과 같이 2가지로 운영되고 있다.

또한 미국에서 운영 중인 주요 인센티브 제도로는 Table 2와 같이 4가지 형태로 운영되고 있다.

(2) 독일

독일은 Table 3과 같이 건물에너지 정책을 추진중이다.

이를 기반으로 독일의 대표적인 건물인증제도는 Table 4와 같이 2가지로 운영되고 있다.

또한 독일 연방정부는 2021년부터 기존의 자금지원 정책들을 통합하여 효율적인 건축물을 위한 연방 지원 프로그램(BEG)을 시행하고 있다^[9].

(3) 영국

영국은 건물에너지 탄소 감축 목표를 세우고 아래와 같이 추진 중이다^[10].

• 모든 신규 주택의 이산화탄소 배출 제로화 목표 설정(2006년~2016년)

• 건물 규정 Part L: 건물 에너지 효율 기준 강화

• 그린 딜 프로그램: 에너지 효율 개선 촉진

이를 기반으로 영국의 대표적인 건물인증제도는 Table 5와 같이 운영되고 있다.

또한 영국에서 운영 중인 주요 인센티브 제도로는 Table 6과 같이 운영되고 있다.

(4) 한국

2050 탄소중립 추진목표에 따라 녹색건축물조성지원법으로 신축건물의 제로에너지빌딩(Zero Energy Buildig, ZEB) 의무화기준이 강화된다. 건물에너지 인증분야는 2014년 녹색건축물 기본계획수립을 통한 ZEB 활성화 방안을 발표하고 2017년 인증제 시행, 2019년 제로에너지건축 단계적 의무화를 위한 로드맵 개편(안)을 발표하면서 본격적으로 제로에너지건축물 인증 의무화를 시행하였다^[11].

「녹색건축물 조성 지원법」및 같은 법 시행령 개정으로 ‘20년 제로에너지건축 인증 의무화 시행을 위한 법적 근거 마련(‘19년) ’20년 공공건축물 연면적 1천m2 이상을 시작으로 ‘23년부터는 공공건축물 연면적 5백m2 이상 ’25년부터 민간공동주택 연면적 1천m2 이상, ‘30년부터는 민간공동주택 연면적 5백m2부터 제로에너지빌딩 인증 의무화를 실시한다(Fig. 1).

제로에너지 건축물인증은 Table 7의 3가지 기준을 만족하여야 한다. 기준 1의 건축물에너지 효율등급은 건물의 에너지소요량 및 이산화탄소 발생량을 포함한 건물의 에너지 성능을 평가함으로써 에너지 이용효율 향상을 목적으로 하며 건물의 설계도서를 통하여 난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기소비량 등에 대하여 에너지소요량과 이산화탄소 발생량을 평가하여 에너지 성능에 따라 10개 등급(1+++7등급)으로 평가한다. 기준 2의 에너지자립률은 건축물의 1차에너지 소비량 대비 에너지생산량의 비율을 의미한다. 기준 3의 BEMS 또는 전자식 원격검침 계량기 설치는 건축물 에너지효율화의 모니터링, 제어, 관리를 목적으로 한다^[11].

3가지 기준 중 제로에너지 건축물 인증 등급 결정의 핵심적인 요소는 Table 7의 에너지 자립률이다. 건축물 에너지 효율등급과, BEMS 또는 전자식 원격검침 계량기 적용은 등급 만족 또는 적용 여부로 결정이 된다. 그러나 에너지자립률은 건축물에서 얼마나 에너지를 자체적으로 생산할 수 있는지로 결정되기 때문이다. ZEB 건축물의 인증등급은 에너지자립률에 Table 8과 같이 5등급으로 구분된다.

주요 인센티브 제도로는 에너지이용합리와 자금지원, 주택도시기금 대출한도 상향, 에너지신산업 금융지원사업, 취득세 감면, 신재생에너지 설치보조금 가점, 용적률/건축물 높이 건축기준 완화 등 다양한 인센티브 제도를 도입하고 있다.

(5) 국내외 제로에너지빌딩 정책 비교

국내외 건물에너지 관련 제로에너지건축물 정책의 일반적인 내용은 Table 9와 같이 국내의 정책과 크게 다르지 않다. 미국과 유럽에서는 제로에너지빌딩 정책 수행을 위하여 정부와 지자체가 지원을 추가하거나 기존의 정책을 제로에너지빌딩 의무화로 강화하고 적극적으로 적용할 수 있도록 지원하고 있다.

각 국가들은 각 국의 정책에 따라 인증제도를 도입하여 건축물의 에너지효율을 높이고 있다. 또한, 이를 기반으로 인센티브를 지급하여 건축물의 에너지성능 개선을 유도하고 있다.

1.2.2 설치사례

(1) 미국

Fig. 2(a) United Therapeutics Unisphere는 고효율 태양광 패널, 지열 에너지, 전기 변색 유리, 자연 채광, 중앙 집중식 건물 자동화 시스템 등 다양한 재생 에너지 기술을 활용하고 있다. Fig. 2(b) NREL 연구소는 약 1.6MW의 태양광발전을 생산하고 있다. Fig. 2(c) 필립스센터는 태양광 시스템과 수직축 풍력으로 자체 에너지를 사용하고 초과 에너지는 다른 캠퍼스에서 사용하고 있다. Fig. 2(d) 월그린상점은 200,000kWh/year의 전력을 사용하지만 신재생시스템(지붕형 태양광시스템 850개의 패널 포함)로 220,000kWh/year 에너지를 생산하고 있다^{[12, 13]}.

(2) 유럽

Fig. 3(a)는 탄소제로 도시개발 추진정책으로 런던 남부 왈링톤(Wallington)에 조성된 베드제드(Beddington Zero Energy Development : BedZED)태양열과 풍력 등을 이용한 에너지 효율성 제고와 단지의 미적 아름다움을 동시에 추구하도록 설계, 모든 주택의 지붕 위에 태양광패널(777㎡)을 설치, 단지 내 열병합 자가발전소에서는 산업폐기물(목재)을 소각하여 에너지를 생산등을 통해 영국정부의 제로에너지빌딩 모델이 된 건축물이다^[14]. Fig. 3(b) HZB 연구소는 건물외벽을 일반 금속패널과 혼용하여 컬러 태양광모듈을 설치하여 28,000kWh/year 에너지를 생산하고 있다^[15].

(3) 한국

Fig. 4(a) 인천국제공항 2터미널은 BIPV 402.48kW, PV 1,236kW 가 설치 되어있다. Fig. 4(b) 서울에너지공사는 차세대 태양광실증단지를 구성 본관, 별관, 주차장, 발전동, 방음벽, 보도블럭 등 다양한 용도와 크기 형태를 갖춘 심미성, 실용성에 대한 태양광실증현장으로 용량 140kW(단결정 455W 73ea)으로 설치, 에너지 생산량 163,520kWh/년, 발전시간 3.2hr/day이다. Fig. 4(c) 노원 에너지제로하우스는 건축물 에너지 절약을 위한 패시브, 액티브 기술을 활용한 공동주택이다^[16].

(4) 솔라셀 LED융합형 사례

중국 그린피스(Greenpix)는 Fig. 5(a)처럼 건물 외벽에 특수 제작된 유리판으로 제작한 태양광 모듈 뒤에 LED조명을 설치하여 발전된 전기에너지를 조명에너지로 변환하여 사용되는 대표적인 태양광 미디어 파사드 건축물로서 설치면적 2,200㎡, LED 2,292개가 설치 되어있다.

오스트리아 Omicron사 본사는 Fig. 5(b)와 같이 고효율 태양전지와 파란색을 주 색상으로 하는 칼라 LED 디스플레이를 통합한 태양광 미디어 파사드 건축물로서 설치면적 780㎡, 태양전지 510개, LED 90개가 설치 되어 있다^[17].

1.3.1 연구목적

본 연구의 목적은 솔라셀과 LED 기술을 융합하여 고효율 융합모듈을 설계, 제작 및 분석함으로서, 건축물의 에너지 효율을 극대화하고 지속 가능한 에너지 활용 방안을 제시하는 것이다. 이를 통해 건축물의 에너지 자립도를 높이고 제로에너지 건축물 확산을 촉진할 수 있는 기술적 기반 및 방안을 제시하는 것이 동 연구의 목적이다.

특히, 본 연구에서는 태양광 발전의 효율을 극대화하고 LED 부문의 에너지 소비를 줄이는 동시에 건물의 환경적인 개선을 극대화하는 융합모듈의 설계와 제작에 초점을 맞추는 것이다. 이를 통해 국내 제로에너지 건축물의 확산과 실질적인 적용 가능성을 검토하여, 지속 가능한 건축 환경 조성을 위한 기술적 시사점을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 결론적으로 본 연구는 제로에너지 건축물 구현을 위한 새로운 기술적 솔루션을 제안함으로서, 에너지 절감과 온실가스 배출 감소라는 글로벌 과제 해결에 기여하고, 국내외 건축 에너지 분야의 혁신적인 환경 개선 및 기술적 발전을 도모하고자 한다.

1.3.2 연구방법

연구방법은 크게 세단계로 나누어 진행하되, 첫 번째는 시작품 설계, 두 번째는 시작품 제작, 세 번째는 특성분석 순으로 연구를 진행할 계획이다.

첫 번째 시작품 설계단계에서는 솔라셀과 LED 기술의 융합을 통해 고효율 융합모듈을 설계한다. 먼저 태양광 발전 시스템의 구성 요소와 LED 광원 시스템의 사양을 결정하고, 두 기술의 전기적·기계적 통합 설계 방안을 도출한다. 특히 태양광모듈 부문은 솔라셀의 배열 및 연결을 최적화하여 발전 효율을 극대화하는 방향으로 설계하고, LED 소자부문은 고효율 LED 칩을 적용하여 광출력과 에너지 절감의 균형을 맞추는 방향으로 설계한다.. 시작품은 경량화와 내구성을 동시에 확보하기 위해 플라스틱을 소재로 선택하고, 방수 · 방진 기능이 통합된 밀폐형 구조로 설계한다. 설계 과정에서는 CAD 기반의 소프트웨어를 활용하여 시작품 구조를 설계하며, 이를 통해서 최적 설계안을 도출할 계획이다.

설계 완료 후, 두 번째 시작퓸 제작 단계에서는 LED PCB 기판과 솔라셀을 결합하여 태양광 라미네이션 공정 작업을 통해 제작한다. 먼저 LED PCB 기판은 고효율 LED 칩과 솔라셀을 통합할 수 있는 구조로 설계 및 제작하며, 이를 통해 LED 모듈의 안정성과 에너지 효율을 극대화한다. 솔라셀은 태양광발전 효율이 높은 후면전극형 실리콘 태양전지셀을 적용하며, 전기적 연결을 최적화하기 위하여 후면 접합 공정으로 제작한다. 제작된 솔라셀 및 LED PCB 기판은 라미네이션 공정을 통해 완성한다. 라미네이션 공정 작업은 EVA(에틸렌비닐아세테이트) 필름, 백시트, 강화유리 등의 재료를 활용하여 솔라셀과 LED PCB 기판을 하나의 모듈로 결합하는 방식으로 진행하며, 이 과정에서 진공 상태에서의 열 압착을 통해 각 층간의 기밀성과 내구성을 확보하고, 외부 환경으로부터 보호할 수 있는 밀폐 구조를 구현한다. 라미네이션 공정이 완료된 후, 시작품의 초기 작동 테스트를 수행하여 전기적 연결 상태와 기본 성능을 확인하고, 최종적으로 구조적 안정성과 기능성을 확인할 계획이다.

세 번째 성능 분석 단계에서는 제작된 시작품에 대한 특성 분석을 실시하며, 태양광발전 효율, LED 출력 및 빛공해 등을 중심으로 연구를 진행한다. 태양광 발전 효율은 다양한 환경 조건(일사량, 온도 등)에서 전압, 전류, 출력값을 측정하여 평가분석하고, 솔라셀이 LED 모듈 작동에 필요한 전력을 안정적으로 공급할 수 있는지 확인한다. LED 출력 특성은 소비전력을 측정하고 환경적인 측면에서 빛공해 부분도 측정한다. 또한 모듈의 발전 및 소비 특성을 측정하여 에너지 자립도를 분석하며, 설계 및 제작 과정에서 도출된 기술적 개선점을 파악할 계획이다. 이를 통해서 국내 제로에너지 건축물 확산을 위한 방안(시사점)을 제시하고자 한다.

2.2.1 시작품 제작

솔라셀 일체형 LED 융합모듈의 시작품 제작은 설계된 CAD 도면과 구조적 배치에 따라 Fig. 8과 같이 제작공정 실시하였으며 단계는 다음과 같다.

(1) 저온 페이스트 도포

PCB 표면에 태양전지셀을 부착하기 위해 저온 페이스트를 정밀하게 도포하였다. 저온 페이스트는 열 손상 없이 부착이 가능하도록 설계된 재료로, PCB와 태양전지셀 간의 견고한 연결을 위한 공정작업이다.

이는 PCB상에 사전 장착된 LED 소자와의 간섭 영향 및 손상을 방지하면서도 태양전지셀의 안정적인 부착을 가능하게 하기 위한 최선의 방법이다.

(2) 태양전지셀 장착

IBC 하프컷 태양전지셀을 설계된 PCB의 지정된 영역에 장착하였다. 태양전지셀 배치는 태양광 흡수 면적을 최적화하고 LED 소자와의 융합성을 극대화하기 위해 각각의 배열로 장착하였다.

태양전지셀 장착 시 셀 간의 간격과 정렬 상태를 세밀히 조정하여 전기적 연결성과 기계적 안정성을 확보하였으며, 태양전지셀의 파손 및 성능유지를 위해 핀셋 등을 이용하여 최적화 작업공정을 유지하였다.

(3) 후면 본딩 작업

PCB 후면에서 본딩 작업을 통해 태양전지셀의 전기적 연결을 강화하였다. 이 작업은 전류 전달 경로를 안정화하고 태양전지셀이 효율적으로 동작할 수 있도록 하기 위함이며, 후면 본딩은 셀 배치와 PCB 회로 설계를 기반으로 정밀하게 실시하였다.

(4) 본딩 반복 작업

태양전지셀의 부착과 본딩 작업을 반복적으로 수행하여 모든 태양전지셀이 안정적으로 장착될 수 있도록 진행하였다. 각 셀의 연결 상태와 전기적 특성을 검사하며 불량 요소가 최소화 되도록 작업을 실시하였다.

이 단계에서는 PCB 상의 모든 태양전지셀이 균일하게 동작할 수 있도록 개별적인 테스트도 진행하였다.

(5) 완성된 본딩 결과 확인

본딩 작업이 완료된 PCB는 최종적으로 모든 태양전지셀이 정확히 부착되었는지 다시 한번 시각적 및 전기적 검사를 통해 확인하였다.

완성된 PCB는 4장의 개별 모듈로 구성되며, 각 PCB는 독립적으로 작동하면서도 통합 제어 시스템을 통해 전체적으로 조화를 이루도록 제작하였다.

(6) 점등 테스트 준비

LED와 태양전지셀이 장착된 모듈의 점등 테스트하기 위해 각 PCB에 전력 및 데이터 라인을 연결하였다. 이러한 과정을 통해 태양광 발전과 RGB 디스플레이의 융합 기능을 확인하기 위한 준비를 완료하였다.

2.2.2 시운전

솔라셀 일체형 LED 융합모듈의 시운전은 제작된 시작품에 투명유리 또는 컬러유리를 장착하여 진행하였으며, 유리 종류별로 다음과 같은 단계로 시운전을 실시하였다.

(1) 투명유리 장착

Fig. 9와 같이 PCB 융합모듈의 상부에 투명 유리를 장착하여 태양광 흡수율을 유지하면서도 LED 디스플레이의 가시성을 확보할 수 있도록 구성하였다. 투명 유리는 방수 및 방진 효과가 뛰어나기 때문에 외부 환경에서도 안정적인 성능을 확보할 수 있기 때문이다.

(2) 컬러유리 장착

RGB LED 디스플레이의 미적 효과를 높이기 위해 Fig. 10과 같이 컬러 유리를 추가로 장착하였다. 이는 디스플레이의 색상 표현력을 향상시키고 특정 목적에 따른 시각적 효과를 나타내기 위함이다.

(3) 투명유리 장착에 따른 LED점등 시운전

투명 유리 장착 후, Fig. 11과 같이 RGB LED 소자의 점등 테스트를 진행하였다. LED는 Blue 및 Red 색상으로 점등 테스트를 거쳐 균일한 밝기와 색 재현성을 확인하였다. 테스트 결과, RGB LED는 각 색상에서 원활히 작동하며 설계된 디스플레이 배열에 따라 정확히 작동하였다.

(4) 컬러유리 장착에 따른 LED점등 시운전

컬러 유리 장착 후, Fig. 12과 같이 LED 디스플레이의 점등 제어를 테스트하였다. 점등 제어는 설계된 프로그램을 기반으로 이루어졌으며, 각 LED가 독립적으로 작동하도록 설정하였다. 테스트 결과, 점등 패턴과 색상 제어가 설계 목표에 부합하며 디스플레이 기능을 안정적으로 수행할 수 있음을 확인하였다.

(5) 시작품 완성

제작된 시작품은 태양광발전 성능 및 LED 디스플레이의 해상도 및 색상 제어 기능 등을 포함하여 융합적인 역할을 수행할 수 있는 모듈임을 확인하였으며, 다음의 특성분석을 통해서 성능을 검증할 계획이다.

2.4.1 건축물에 확대 적용될 가능성

(1) 다양한 건축 환경에서의 적용성

제작된 시작품은 태양광 발전 기능과 RGB LED 디스플레이를 융합하여 건축물 외벽, 지붕, 미디어 파사드 등 다양한 건축 요소에 적용할 수 있다. 이는 에너지 생산과 미적 기능을 동시에 구현할 수 있어 상업용, 공공용 및 주거용 건축물 모두에서 활용 가능성이 높다고 판단된다.

(2) 에너지 자립형 건축물로의 전환 지원

시작품은 태양광 발전을 통해 건물의 전력 사용량을 줄이고 LED 디스플레이는 에너지 효율적인 조명 및 광고 디스플레이 시스템으로 활용 가능하다. 이러한 특성은 기존 건축물을 에너지 자립형 구조로 전환하거나, 신규 건축물 설계 시 동 시작품을 적용하여 ZEB 목표를 달성하는 데 기여할 수 있다고 판단된다.

(3) 구조적 설계의 확장성

PCB 기반 설계와 모듈화된 제작 방식은 다양한 크기와 형태의 건축물에 맞게 유연하게 조정할 수 있는 확장성을 제공한다. 특히, 태양광 라미네이션 공정을 생략함으로써 생산성과 경제성을 확보한 설계는 대규모 건축물에도 적용할 수 있는 기술적 및 구조적 기반을 마련했다고 판단된다.

2.4.2 ZEB 확산보급정책 기여 방안

(1) 정부 정책 및 인증 기준 연계

동 시작품은 국내 ZEB 인증 기준을 충족할 수 있는 기술적 성능을 보유하고 있다고 판단되는 바, 이를 통해 정부의 ZEB 의무화 정책과 연계된 보급 정책 수립이 가능하다. 특히, 시작품의 융합 기술은 공공건축물의 에너지 자립 및 공공 홍보물을 지원하는 데 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.

(2) 경제적 인센티브 제공

시작품의 제작 과정에서 비용 절감을 실현한 구조적 설계는 대량 생산을 통한 경제적 혜택을 제공할 수 있다고 판단되는 바, 이를 바탕으로 정부 및 지자체는 융합모듈을 채택하는 건축물에 대해 세제 혜택, 보조금 지원 및 에너지 절약 인증 등의 경제적 인센티브를 제공할 수 있는 정책적 지원이 가능하다고 판단된다.

(3) 기술 표준화 및 산업화 촉진

시작품의 성능 데이터와 실증 결과를 바탕으로 기술 표준화를 진행하여, 국내 건축물 에너지 효율 개선을 위한 산업적 기반을 마련할 수 있다고 판단된다. 이는 융합모듈의 국내 생산을 활성화하고 관련 산업 생태계를 조성하는 데 기여할 수 있다고 판단된다.

(4) 공공 및 민간 건축물 적용 확대

공공건축물을 대상으로 융합모듈을 우선 적용하고, 이를 통해 성능을 실증함으로써 민간 건축물로의 보급을 확대할 수 있는 기반을 마련할 수 있다고 판단된다. 특히, 상업적 활용이 가능한 RGB LED 디스플레이와 에너지 절약 효과는 민간 분야에서도 큰 관심을 받을 가능성이 높다고 판단되는 바, 보급정책 지원과 맞물리어 관련산업계를 활성화 시킬 수 있을 것으로 판단된다.